Ученые Вышки получили грант РНФ на поиск новой физики

Команда лаборатории больших данных (LAMBDA) ФКН ВШЭ стала победителем конкурса Президентской программы исследовательских проектов. Сотрудники лаборатории разрабатывают систему алгоритмов, которая поможет физикам искать новые частицы на Большом адронном коллайдере.

О том, как эта система помогла ученым ВШЭ в коллаборации LHCb найти новую частицу — дважды очарованного бариона — и о предстоящей работе рассказывает Денис Деркач, старший научный сотрудник LAMBDA.

Что такое новые частицы

На сегодняшний день одной из самых успешных теорий современной физики является Стандартная модель элементарных частиц (СМ), она описывает большинство полученных экспериментальных данных. Помимо частиц, она включает три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, кварки внутри протонов, нейтронов и других частиц. Переносчики сильного взаимодействия — глюоны (от английского glue — клей). Слабое взаимодействие приводит к таким распадам, как распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны.

При всех её достоинствах, СМ не является окончательной моделью окружающего нас мира, например, она не описывает гравитационные взаимодействия. Чтобы получить полную картину, необходимо искать отклонения, несоответствия в экспериментах, проводимых на высоких и сверхвысоких энергиях. Это одна из задач, которую ставят перед собой ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, — поиск так называемой Новой физики.

Как искать новые частицы

Сейчас Новую физику можно искать двумя способами: прямым и непрямым. Первый, в основном, используется в таких универсальных экспериментах, как ATLAS и CMS, там основной задачей становится поиск частиц, не входящих в спектр Стандартной модели. Если такие частицы будут обнаружены — это станет доказательством того, что нужно расширять имеющуюся модель.

При использовании непрямого способа, который применяют в эксперименте LHCb — измеряют характеристики различных частиц, такие как времена жизни, вероятности распада, величины которых особенно чувствительны к дополнительным явлениям, происходящим на фоне основных процессов СМ. Если полученный результат значимо отличается от предсказаний СМ, это может послужить указанием на место, где искать Новую физику.

«Эксперименты на БАК предоставляют широкие возможности для поиска Новой физики обоими способами, — рассказывает Денис Деркач. — Как участники коллаборации LHCb, мы будем разрабатывать систему алгоритмов, в первую очередь рассчитанных для этого эксперимента. Мы ориентируемся на непрямой способ поиска, который существенно зависит от того, насколько точно и эффективно мы сможем определять, частица какого именно типа оставила тот или иной след, так называемый трек».

Существующие теории предсказывали обнаруженную частицу, ученые даже примерно знали ее массу, но зарегистрировать ее не удавалось долгие годы.

По мнению исследователя, важной задачей является построение системы алгоритмов, которая позволит обрабатывать разнородные данные (например, низкоуровневые «пиксели», высокоуровневые характеристики частиц — импульс, множественность вершин распада), приходящие со всех частей детектора одновременно. Важным преимуществом программы является увеличение скорости работы, поскольку объем обрабатываемых данных предполагается огромным. Эти же алгоритмы могут быть использованы и для обнаружения аномалий работы детектора. Благодаря сбору информации из различных частей детектора можно будет оценить, насколько правильно работает та или иная подсистема. Это позволит ещё эффективнее оценивать качество данных, набранных детектором.

«Сейчас физика частиц использует продвинутые методы науки о данных. Основная проблема, однако заключается в том, что каждый эксперимент уникален, и алгоритмы, которые мы разработали, существенно приспособлены к конкретным экспериментам, они эксклюзивные. В будущем мы, конечно надеемся приблизиться к разработке более или менее унифицированной системы», — говорит Деркач.

Как нашли дважды очарованный барион

Существующие теории предсказывали обнаруженную частицу, ученые даже примерно знали ее массу, но зарегистрировать ее не удавалось долгие годы.

«При столкновении протонов в БАК рождается множество частиц, много шума, который затрудняет анализ конкретных частиц, и только современные методы машинного обучения позволили обнаружить новый дважды очарованный барион», — делится Денис Деркач.

Данные, использованные для открытия, проходили через системы сертификации качества, которую разработали сотрудники Вышки. Эта комплексная система позволяет с помощью веб-интерфейса следить за тем, что происходит: система, встроенная в программное обеспечение эксперимента, получает данные из потока. Дальше она анализирует их на предмет качества, если есть «брак», например, засвечен детектор, то конкретный поток нужно отключать. Этот алгоритм существенно облегчает работу исследователя, в буквально смысле позволяет ему поверить в те данные, которые он набирает. В том числе благодаря этой системе и удалось найти очарованный барион.

Планы на будущее: замена человека машиной

В физике частиц ученые всегда сталкивались с огромным объемом данных. До повсеместного введения компьютеров исследователи обрабатывали фотографии событий (столкновений частиц), полученных на детекторах первого поколения. С тех пор, простейшая обработка «фотографий» с детектора была отдана компьютеру, производящему миллиарды операций в секунду, но выполняющему, в сущности те же действия, что и исследователь с линейкой и транспортиром, а ученые теперь имеют возможность заниматься более высокоуровневыми задачами. Задача сотрудников Вышки — помочь алгоритмам выйти на новый уровень точности и освободить ценное время исследователя для построения физической картины мира. В этом смысле разработчики поступательно замещают рутинные действия ученых машинным интеллектом.

Поиск редких распадов известных частиц — одно из главных направлений в эксперименте LHCb. Опыт, накопленный в лаборатории LAMBDA, позволит провести заявленные физические исследования на высочайшем, мировом уровне. В случае обнаружения распадов с хорошей статистической значимостью, измерения позволят выявить ограничения на расширения Стандартной модели, которые в противном случае были бы недоступны. Кроме того, в результате выполнения проекта у LHCb появится инновационная система идентификации частиц, основанная на глубоком анализе первичных данных поддетекторов. Эта система идентификации, опробованная в новых анализах, может стать одной из базовых компонент программного стека LHCb после апгрейда.